外文翻译--在滑动触点多层表面涂层的弹塑性变形分析

1 文献翻译 在滑动触点多层表面涂层的弹塑性变形分析 摘要 梯度层的滑动接触 ,层叠 层和普通多层涂层受到相同的表面负载本文调查了下弹塑性变形。结果表明 ,积极的梯度层涂料、弹性模量降低逐渐从顶层到衬底 ,可以提高应变和应力 根植于文明 layer-substrate 界面附近大大及其应力等高线垂直方常光滑。涂料和 layer-substrate 接口和一个小压力在衬底。涂层可以极大地减少界面上的最大剪应力 layer-substrate 和压力在裂纹尖端 ,但界面附近的应力和应变梯度是非常大的。普通层的应力和应变分布相比 没有明显改善单层。已知的分析应力应变分布和裂缝压力 根植于文明的四种涂层、梯度层涂层在这些方面有更多的优势。本文的结果为涂料的选择和设计提供参考。 q1999 爱思唯尔的科学有限公司版权所有。 关键词 :梯度层涂料 ；滑动触点 ；塑性变形 ；压力 1、介绍 机器零件的失败有很大关系的属性表面附近的最大应力经常存在。学习和发展的重要途径新材料是提高表面通过努力沉积薄层的接触应力分布耐磨材料的接触表面。快速等各种表面处理技术的发展 CVD 和 PVD 和一个伟大的可能的组合协议层的材料让你更复杂的决定材料的制备方法 ,及其作 品 ,涂料的类型和层次等。的主要因素导致涂层表面的失败从衬底的超然涂层。如何达到合适的分布层材料给定的条件减少界面上的应力因此如何提高技术一样重要增加和涂层之间的附着力衬底。所以研究具有十分重要的实际意义如何减少界面应力和提高应变分布在界面附近 ,因为积累的材料塑性变形的主要因素之一压力是导致骨折和超大的接口主要原因导致脱胶。摘要压力在梯度和应变分布 ,层叠 和常见的多层涂层由于 粗糙 面滑 动接触 表面 与 调查之 夜元 素分 析方 法。这 是假设sine-distributed 正常和切向载荷应用分层表面。层参数的影响应力应变分布进 行比较和分析和理想涂层模型的应力应变分布满意了 2、 模型的描述 四种类型的 lms 一直不断讨论了近年来 ,梯度层 lm(TiC / Ti(C,N)/锡 )13, 层叠 层 lm(Ti /锡 )(4、 5),常见的多层 lm(比如 TaC /抽搐 /氧化铝 /锡 )和单层 lm(锡 )。变形的研究并在这些层仍然是一个有趣的断裂问题。在本文中 ,我们 2 图 1。模型上的粗糙表面滑动层涂层 糙表面滑动接触下分层困难在上述层半空间。的压力多数文献假设分布分析正常和切向加载界面接触分布由半球形滑动造成的。为更接近我们 ,而真正的接触情况 multi-asperity 接触模型 ,如图 1 所示。的正常压力分布的每个粗糙粗糙counter-face 可以表达公式约翰逊提出的 6,给出如下 在哪里上所有粗糙粗糙的平均压力吗表面上看 ,E *是材料的等效弹性模量 是杨氏模和泊松分别率的材料接触。 D是粗糙表面的振幅 ,l 的波长粗糙表面 (图1)。假设的最大压力 pmax粗糙表面 81023 N /平方毫米 ,屈服极限高速钢 (HSS 衬底的 N / k=1:81023pmax 平方毫米 。 4 k 的每一层的厚度梯度 ,层叠 和选定的 多层涂层是 2 毫米 ,总 厚度的三个涂料是 8毫米为所有四层。两表面微凸体之间 的长度粗糙表面被假定为 L=100 毫米和接触每个与接触表面粗糙长度是 2： 20 毫米。假设摩擦系数 字母系数的滑动接触粗糙表面和涂层之间 0:3。结果显示 Merwin 和约翰逊 7,塑性变形将发生在当 pmax = k。为 4:0 在滑动接触。这里 k 是马克西的屈服极限最大 冯 米塞斯方程可以给出的剪切应力表达 k 马克斯。 表 1 基板的机械性能和涂层材料 现 象、趋势和研究了塑性变形的分布分布载荷 pmax = 4:0。图 2 c 表示三种 涂层的结构。如弹性模 力学性能 基体和涂层材料的泊松比哪些是重要的执行可 3 图 2。三种涂层的结构 :(a)梯度层涂料 ,(b)层叠 层涂层和 (c)所选的多层涂层 靠的计算表 1 中列出引用文献 79 。自合并后的正常和切向载荷不再对称 ,整个分层半空间建模。图 3 显示了 夜间元素网格和边界计算中使用的条件。水平和垂直网是 160100 毫米的尺寸 ,都是足够大以允许强调是 旧址边界。整个网格水平 1320(4430 垂直 )双二次平面应变元素和 1395 节点。网格是再保险 ned 地区低于接触。水平和垂直间距和下面的节点的接触表面是相同大小的 0.5 毫米。底面和 侧面支持在 夜间元素来模拟半无限。了几位高级行按顺序分配层和夹层。的各层之间的接口被认为是完美的保税 ,即位移在接口是连续的除非另有提及。普通节点属于两岸的界面元素 ,使用这些常见的节点约束的接口满意 。连续分布的正常和切向载荷应该分成小分歧和转换成吗双重正常集中负荷是由方程遵循国际扶轮个人集中负荷 Ri 和气然后行使在每个部门指出 yic 和应用节点通过节 离散集中负荷如图 4 所示。 图 3 。 的 夜 间 元 素 网 格 和 边 界 条 件 中 使 用 计 算 。 和切向载荷气 和负载的行动中心位置 点接触表面。在 ANSYS包已经被 用于夜间元素计算上述涂料。来验证是否 夜间 4 上述元素模型是公平的 ,一个典型的滑动接触的刚性圆柱滑块均匀的在飞机上分析了弹性半空间 (m0:2)。的从数值计算结果相吻合计算使用赫兹方程的约翰逊6。因此 ,现在 夜间模型和网格被假定为是一个元素滑动的弹性半空间的可接受的表示接触。计算结果为例 ,应力分布于 multi-asperity 接触表面绘制在图 5中。 图 4。模型分为连续分布正常加载成离散。 图 5。由于 multi-saperity 接触应力分布在多层表面 3 结果与讨论 从 ANSYS 提供的图表 ,我们 可以理解这些涂料的一些重要特征分析如下 : 3.1. 塑性变形下的应变分布 图 6 显示使用 的结果夜间梯度层单元法 (HSS /氧化铝 /抽搐 Ti(C,N)/锡 ),夹心层 (高速钢 / Ti /锡 / Ti /锡 )选中的多层 (高速钢 / TaC /抽搐 /氧化铝 /锡 )涂料受到同样的表面负载。也单层涂层 (高速钢 /锡 )具有相同的厚度与多层计算比较。图 6 显示了轮廓在上述四部分的压力分层的楼梯下方的分别中间粗糙粗糙表面的接触。图 7c 的应变分布四涂料在吗呼叫中心轴。这里的横纵坐标是 z /a涂料和垂直的纵坐标值是。塑性变形时出现 1 k 的值 ,即 512.0 xee 这里0.512ANSYS 的计算精度。显示在图 6 中 ,压力梯度的轮廓层涂层非常稀疏coating-substrate 附近界面 ,而他们主要集中在涂层表面。在选定的多层涂层的行为逆转与梯度层涂料 ,这是压力轮廓是集中在界面附近和稀疏的附近水面。单层涂层的应变轮廓接口和附近非常集中吗表面上看 ,虽然稀疏的涂层。涂层的轮廓非常集中中间的涂料和附近的界面。基体的塑性变形已经长大了为每个涂层和涂层的顶部下负载。的塑性变形区域 层叠 涂料是这四个最大的涂料和塑性变形沿着界面也是最 长的地区。有预感教派的前部和尾部接触边缘附近梯度和单层涂 5 层和前面和下面尾接触边缘的选择的多层和单层涂料在 coating-substrate 接口。界面附近的应变梯度层的涂层变化逐渐自应变梯度的轮廓层涂层界面附近的稀疏 ,没有塑性变形时预感教派在界面附近开始。它表明 , 梯度层涂料不倾向 图 6.应变梯度层涂层的轮廓 :(a)梯度层涂料 ,(b)选定的多层涂层 ,(c)层叠 涂层和 (d)单层涂料。 于形成和断裂之间的接口衬底和有更多的优势在其他三个涂料在性能。附近的应变非常结实的轮廓选中的多层和 单层的接口涂料 ,这表明这些地区的应变率非常大。除了有预感教派在尾部边缘附近塑料区域的两个基板 ,所以骨折往往这些区域附近形成。 根据图 6,应变速率也逐渐减小由于应变梯度层的轮廓涂层非常集中的顶部表面 ,它显示了吗梯度层涂层可以在保护一个重要部分衬底。相反 ,尽管附近的应变率很小前选择的多层涂层 ,表面虽然率是接口和附近的断裂倾向于增加产生在这里。塑性变形区域的 层叠 涂料非常大 ,在大应变速率是伟大的吗地区附近的界面。单一的应变轮廓层涂层非常表面和附近集中中间的接口但稀疏地区的涂层。它表明涂层的中部地区是不能来执行其功能 和附近的骨折往往形式由于大应变速率的接口。 3.2 最大剪切应力的分布 图 8 显示了最大剪应力的分布四个涂料。 z 和 y 是垂直和水平坐标 ,分别。积极的压力计算抗拉抗压和消极。图 8中可以看出 ,上方的压力选择的多层 (z0)中是最低的其他涂料和最大剪应力的变化沿着 z 轴向远最类似于单层的其他的地区。除了 coatingsubstrate 附近的地区接口 ,压力梯度层的轮廓涂料类似于单一层和选定的多层涂层。最大剪切应力 层叠 的顶部表面涂层是最低的和压力的变化轮廓有很大不同从其他三个病例。图 8 显示的压力非常高附近的接口 (z = 6 20:8)3 例除了梯度层涂料。的压力非常高的地区附近的 z =20:7 和选择的多层 图 7。四种涂料的应变分布在呼叫中心轴 :(a)梯度层和多层涂料 ,(b)梯 度层和 层叠 层涂层和 (c)梯度层 ,单层涂层。 如此 层叠 涂料、和最大剪应力急剧变化在界面附近这三个涂料的最大剪切应力梯度层涂层和变化相对较低顺利与其他三个涂料相比 ,上述应变等值线稀疏的应变梯度低的梯度 层涂层。此外 ,图 8显示的压力衬底的 层叠 涂层显然是最高的其他涂料。显示在图 8 b,单一的压力分布和所选的多层涂层更相似 。 图 8。最大剪切应力分布沿垂直和水平 axials:(a)的最大剪切应力分布沿垂直轴向和 (b)最大剪切应力分布沿水平轴 (z =。 20:8)。彼此 coating-substrate(z =20:8)。这表明沿着两个方向的压力分布涂料很相似。的应力分布曲线沿着 y轴向梯度和 层叠层 涂料是多少低于其他两个涂料和的曲线 层叠 是低于梯度。裂纹前缘的关系和裂纹扩展方向对多层涂层的界面。一个模型的界面裂纹 (图 9)de内德增长 bimaterial 界面裂纹增长方向的平面界面。这个模型的裂纹一般可能是一个经历过失败机制分层的涂层的应用 ,分钟裂纹成核在分层的边缘应力集中结构或也可能产生而建立的 lm。裂纹的传播尤其是接口涂料由于疲劳后的长期服务引起的层的剥落的主要类型之一涂层分析裂缝层之间的接口和基质 ,Comninou(10、 11)使用一个封闭的裂纹获得的模型和应力强度因子在不同负 7 载条件下使用数值方法。 Gautesen 和 Dundurs(1988)12从而计算出准确的解决 方案 ,分别从这个模型。然而 ,近来更建议采用有限元法获得的应力强度因素对裂纹尖端 。 在界面的应力强度因子在多层涂层裂纹引起的滑动接触被给予了 6KI 和应力 强度因子的一般是 在 模式 I 和 II,分别和他们的关系表单 K2 和 在平面应变可以 Dundur 参数表示为 图 10 显示了应力分布 ,这是由于梯度的裂纹在界面层涂料 ,通过元素分析的方法。应力裂纹前提示高于在沿滑动方向尾巴尖在涂层表面硬度计压头滑动 ,这是显示在图 10中 ,最大的压力正确的提示是高于左侧。所以压力在前面提示沿滑动方向主要是调查在这里。图 11显示了最大剪应力分布沿水平和垂直方向上的裂缝前提示相同的位置 ,相同的尺寸和形状 layer-substrate 接口的四个下涂料相同的滑动表 面上的负载。纵坐标的起源点 (y=0时 ,z=0时 )在图 11 中代表了裂纹尖端位置。从图 11 a,b,最大剪切应力沿水平和垂直方向的 层叠 涂料是在最低的其他三个涂料、接下来是梯度涂层。的压力分布在单层的价格非常接近的选定的 8 多层。从图 7,最大剪切应力沿水平方向的裂纹尖端减少近线性的。每个曲线 0.9毫米内急剧变化裂纹尖端。这表明曲线迅速倾斜附近的提示 ,这个区域附近的压力非常集中。也称从图 11 曲线斜率就变小了后 y。 0:91:0 毫米 ,这表明的浓度曲线变得更加顺利。 图 10. 最大剪应力分布的裂纹附近界面梯度层的涂层。 图 11。每个涂料的最大剪应力分布沿水平和垂直方向上裂纹前缘小贴士 :(a)最大剪切沿着水平方向应力分布 ,(b)的最大剪切应力分布沿垂直方向。 上的每个涂层界面的应力分布 (在图 11中 b z,0时 )非常相似可以看到从图 11 b。主要特点是裂缝附近的应力分布的四个涂料非常的不同。应力值和毕业生在 层叠层涂层明显低于这些在其他涂料 ,接下来是梯度层涂层 ,而单层涂层的应力分布非常接近 ,在选定的多层涂层。因此裂纹附近的应力分布很大程度上涂层的性能也直接相关裂纹扩展 。压力在每个方向的界面 层叠 层中低于涂层其他涂料根据上述研究分析。这意味着界面上的压力就会很低和产生的裂纹在界面并非易事当底物覆盖着低模量繁殖材料 ,如钛。这可能是一个主要的为什么许多研究人员一个伟大的关注目前 层叠 层涂料。 layersubstrate 附近的压力然而 ,层叠 的界面涂层非常高 ,变化很大。应变梯度很大和这个地区附近的断裂倾向于产生滑动接触。这是缺点从应力的角度分布。所选的多层涂层已经在工程和能代表典型的应用目前多层涂料使用。从上面的分析 ,它的界面非常附近的应力分布类似于单层涂层 ,即应力值和应变速率非常伟 大和骨折往往生产。附近的应变速率梯度的接口层涂料是在四个涂料和最低的应力和应变变化非常顺利。也强调接口很低 ,裂缝不倾向于传播。因此 ,梯度层涂料优于其他涂料。 4、结论 获得了一些重要的结论上述讨论如下。 9 1.layer-substrate 界面附近的应变分布可以大大改善 ,如果硬涂层由梯度层的弹性模量逐渐减少从顶层到底层在涂层制备。 2.梯度表层有一个理想的应变分布以及一个合适的沿着垂直应力分布轴向附近的界面。 layersubstrate 附近的压力接口和衬底相对低 ,没有压力的突然变化比较其他涂 料。 3.硬和软的多层涂层层交替 ,这是被称为 “ 层叠 ” 层涂料如 Ti /锡 ,可以大大减少最大剪 coating-substrate 界面附近。其裂纹尖端附近的应力相比是最低的其他涂料研究 ,因为软层能够有效吸收压力。但是 ,拉伸和界面附近的应变率非常高。 4.普通的涂料不能提高压力和应变分布有效地比较单一层涂料。 5.最大剪切应力裂纹的尖端在附近界面将会非常低 ,如果最大剪应力在较低的接口。 6.除了梯度层的三层结构涂层可能也有自己的特殊优势上面所提到的 ,虽然他们有明显的缺点与梯度。这表明 ,其他三个涂料可 以应用于满足特定的性能 ,但涂层的梯度层应该考虑如果涂层需要见面由于出色的综合各种表演梯度层涂层的性能。 确认 这个项目得到了国家的支持中国自然科学基金 (59575033) 参考文献 1 E. Vancoille, J.P. Celis, J.R. Roos, Tribo. Inter. 26 (1993) 115. 2 K. Narasimhan, S.P. Boppana, D.G. Bhat, Wear 188 (1995) 123. 3 A.A. Voevodin, R. Bantle, A. Matthews, Wear 185 (1995) 151. 4 M. Bromark